光聲光譜法監(jiān)測(cè)變壓器油中氣體含量可行性研究報(bào)告

1、光聲光譜法監(jiān)測(cè)變壓器油中氣體含量可行性研究報(bào)告 篇一：變壓器油溶解氣的激光光聲光譜分析變壓器油溶解氣的激光光聲光譜分析【摘要】變壓器油中溶解氣分析能夠預(yù)防變壓器故障的發(fā)生。激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用于變壓器油中溶解氣分析的前景廣闊。本文利用激光光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)C2H2、CO2及C2H2/CO2混合氣體進(jìn)行了檢測(cè)，單一氣體的檢測(cè)極限靈敏度分別達(dá)到了12 ppb和36 ppm。通過自制高壓脈沖發(fā)生器模擬變壓器放電故障，并利用頂空油氣分離裝置，對(duì)變壓器放電故障的特征氣體C2H2的產(chǎn)氣量進(jìn)行了測(cè)量。【關(guān)鍵詞】變壓器；油中溶解氣體分析；激光光聲光譜技術(shù)；高壓脈沖放電

2、；頂空油氣分離引言變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，變壓器故障會(huì)造成嚴(yán)重的電網(wǎng)事故。所以對(duì)變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，有助于提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。變壓器油溶解氣分析是國(guó)際上公認(rèn)的能夠有效監(jiān)測(cè)和判斷油浸式電力變壓器早期故障的方法，通過對(duì)變壓器絕緣油中溶解的故障氣體的種類和含量進(jìn)行初步分析，可以幫助判斷變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障，對(duì)各組分氣體的產(chǎn)氣量及其變化趨勢(shì)作進(jìn)一步分析，還可以區(qū)分過熱性故障和放電性故障。光聲光譜油中溶解氣分析法既綜合了氣相色譜法、傳感器陣列法、傅立葉紅外光譜法方法的優(yōu)點(diǎn)，又克服了他們存在的諸多不足。同時(shí)，基于近紅外可調(diào)諧光纖激光器的光聲光譜技術(shù)具有靈敏度高、

3、可調(diào)諧性和靈活性好等優(yōu)勢(shì)，能夠很好的應(yīng)用于油中溶解氣分析。1.變壓器故障氣體的激光光聲光譜檢測(cè)1.1 激光光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)激光光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)主要包括近紅外可調(diào)諧摻鉺光纖激光器、摻鉺光纖放大器、光聲池、鎖相放大器、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理部分。工作流程為：鎖相放大器產(chǎn)生正弦波調(diào)制信號(hào)，加載在計(jì)算機(jī)發(fā)送的掃描電壓上，共同作用于激光器上實(shí)現(xiàn)激勵(lì)光源的波長(zhǎng)調(diào)制和連續(xù)波長(zhǎng)的掃描。光聲池內(nèi)的氣體樣品由于激光輻射而產(chǎn)生調(diào)制的光聲信號(hào)，利用微音器探測(cè)光聲池中的聲音信號(hào)，并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，鎖相放大器提取該電信號(hào)中的二次諧波信號(hào)并傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理的工作。1.2 光聲信號(hào)與特征

4、氣體濃度關(guān)系的標(biāo)定本文針對(duì)變壓器典型故障氣體C2H2和CO2進(jìn)行光聲光譜檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)，需選擇吸收強(qiáng)度大、干擾小的吸收譜線，并且譜線要位于激光器和摻鉺光纖放大器的額定輸出范圍和額定增益范圍內(nèi)。選取的C2H2吸收譜線波長(zhǎng)為1531.59nm，吸收強(qiáng)度為1.17×10-20cm-1/（moleculecm-2），CO2吸收譜線波篇二：變壓器油氣體在線監(jiān)測(cè)論文變壓器油氣體在線監(jiān)測(cè)論文摘要：基于光聲光譜法的氣體在線監(jiān)測(cè)裝置在檢測(cè)精度、靈敏度、穩(wěn)定性方面，都具有很好的表現(xiàn)，為綜合分析、診斷設(shè)備的狀態(tài)提供了可靠依據(jù)，從而達(dá)到有效減少惡性事故發(fā)生的目的，減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)可將傳

5、統(tǒng)的定期停電檢修維護(hù)逐步轉(zhuǎn)為狀態(tài)維護(hù)，從而大大提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。前言變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對(duì)變壓器運(yùn)行維護(hù)要求的不斷提高，變壓器故障在線診斷技術(shù)的研究工作得到了越來越多的關(guān)注。油浸電力變壓器在正常運(yùn)行中和發(fā)生故障后，在熱、電的作用下，其絕緣油及有機(jī)絕緣材料會(huì)分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等氣體，這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位。對(duì)特定油中溶解氣體進(jìn)行定性定量分析，可以直觀、高效地預(yù)判出電力變壓器的潛伏故障。目前應(yīng)用最為廣泛的氣相色譜法試驗(yàn)環(huán)節(jié)多、操作手續(xù)繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，限制了其在現(xiàn)場(chǎng)檢

6、測(cè)工作中的應(yīng)用。將光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體和微水，較于傳統(tǒng)氣相色譜技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測(cè)周期短、操作容易等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了光聲光譜技術(shù)的原理和發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)其在變壓器油中溶解氣體在線分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。1光聲光譜技術(shù)1.1基本原理篇三：電力變壓器的光聲光譜油色譜在線監(jiān)測(cè)摘要：本文介紹了電力變壓器光聲光譜和油色譜兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)原理，并介紹了這兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的診斷方法，關(guān)鍵詞：變壓器 油色譜 光聲光譜 在線監(jiān)測(cè)0 引言變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對(duì)變壓器運(yùn)行維護(hù)要求的不斷提高，變壓器故障在線診斷技術(shù)的研究工作得

7、到了越來越多的關(guān)注。近年來，隨著電力變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到迅速發(fā)展，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)使得電力變壓器檢測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)的處理與傳輸，并得到實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，令在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于實(shí)際的工程中去。然而，由于檢測(cè)技術(shù)尚有一定的局限性，以及電力變壓器內(nèi)部故障存在的復(fù)雜性，當(dāng)前應(yīng)用中的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性仍顯不足。本文著重分析了電力變壓器的光聲光譜和油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，闡述了兩種技術(shù)的原理，以及相應(yīng)的診斷方法等。1 兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)原理變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一 ，其安全運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。油浸電力變壓器在正常運(yùn)行中和發(fā)生故障后，在熱、電的作用下，其絕緣油及有機(jī)絕緣

8、材料會(huì)分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等氣體，這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位。對(duì)特定油中溶解氣體進(jìn)行定性定量分析，可以直觀、高效地預(yù)判出電力變壓器的潛伏故障。1.1電力變壓器光聲光譜在線監(jiān)測(cè)原理1.1.1 光聲光譜技術(shù)光聲光譜(Photo-acoustic spectrometry) 技術(shù)是基于光聲效應(yīng)來檢測(cè)吸收物體積分?jǐn)?shù)的一種光譜技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：可實(shí)現(xiàn)非接觸性檢測(cè)，對(duì)氣體無(wú)消耗；無(wú)需分離氣體，不同氣體的成分和含量可直接通過光譜分析確定；各器件的性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)期使用中免維護(hù)；能夠?qū)怏w吸收光能的大小進(jìn)行直接測(cè)量，且比傅里葉紅外光譜技術(shù)靈敏度更高；

9、測(cè)量的精度高，范圍廣，同時(shí)檢測(cè)速度快,具有重復(fù)性和再現(xiàn)性。一般情況下，多數(shù)氣體分子的無(wú)輻射躍遷主要處于紅外波段，因而光聲光譜技術(shù)對(duì)氣體的定性定量分析，是通過對(duì)氣體對(duì)相應(yīng)于特征吸收峰的特定波長(zhǎng)紅外光的吸收量的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。1.1.2 光聲光譜應(yīng)用于油中溶解氣體檢測(cè)在特定波長(zhǎng)紅外光的照射下，氣體分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞，經(jīng)過無(wú)輻射弛豫過程，氣體吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g的動(dòng)能，進(jìn)而增強(qiáng)分子間的碰撞，造成氣體溫度的升高。在氣體體積一定的條件下，氣體壓力隨著溫度的升高而增大。如果對(duì)光源的頻率進(jìn)行調(diào)制，分子動(dòng)能便會(huì)隨調(diào)制頻率發(fā)生同樣的周期性變化，從而引發(fā)氣體溫度和

10、壓強(qiáng)也隨之周期性變化。在此過程中會(huì)產(chǎn)生周期性變化的壓力波，可以利用微音器對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)，并以電信號(hào)的模式輸出。氣體無(wú)輻射弛豫傳能過程所需時(shí)間決定于氣體各組成部分的化學(xué)和物理性質(zhì)。氣體分子由激發(fā)態(tài)的振動(dòng)動(dòng)能經(jīng)無(wú)輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼?dòng)動(dòng)能的時(shí)間，遠(yuǎn)小于光的調(diào)制周期，所以一般不考慮傳能過程所用的時(shí)間。此時(shí)，光的調(diào)制相位即為光聲信號(hào)的相位，光聲信號(hào)強(qiáng)度同氣體的體積分?jǐn)?shù)及光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)光的強(qiáng)度一定，氣體的體積分?jǐn)?shù)可由分析光聲信號(hào)的強(qiáng)度得出。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中(圖1)，有不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象，因此應(yīng)選擇相對(duì)獨(dú)立的特征頻譜區(qū)域，從而避免檢測(cè)過程中不同氣體間發(fā)生干擾，以滿足

11、檢測(cè)要求。圖1 故障氣體分子紅外吸收光譜圖1.1.3 在線監(jiān)測(cè)單元工作原理圖2演示了光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)裝置中的原理。通過拋物面反射鏡將光源聚焦，形成入射光。入射光的頻率通過轉(zhuǎn)動(dòng)速率恒定的調(diào)制盤后，其頻率得到調(diào)制，然后由一組濾光片進(jìn)行分光，只有某一特定波長(zhǎng)可以通過，濾光片的允許通過波長(zhǎng)，同光聲室內(nèi)某特定氣體的吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。波長(zhǎng)經(jīng)過調(diào)制后的紅外線，在聲光室內(nèi)對(duì)某特定氣體分子，以調(diào)制頻率進(jìn)行反復(fù)激發(fā)。氣體分子被激發(fā)后，以輻射或非輻射的方式回到基態(tài)。就非輻射馳豫過程而言，分子動(dòng)能體系能量轉(zhuǎn)化結(jié)果為分子動(dòng)能，從而導(dǎo)致局部氣體溫度升高，在密閉光聲室內(nèi)引發(fā)周期性機(jī)械壓力波，隨后由微音器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)

12、。在此原理過程中，調(diào)制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波的頻率，可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)體現(xiàn)于聲波的強(qiáng)度，因此，通過明確氣體體積與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以得出氣池中各氣體準(zhǔn)確的體積分?jǐn)?shù)。在上述過程中，通過更換不同濾光片，就可以明確光聲室內(nèi)氣體的種類以及相應(yīng)的體積份數(shù)。圖2 光聲光譜在線監(jiān)測(cè)裝置原理簡(jiǎn)圖1.2電力變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)原理分析電力變壓器絕緣油中溶解氣體的組分含量，是大型變壓器故障診斷的最有效的方法之一。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室油色譜分析有周期長(zhǎng)、從取樣到運(yùn)送測(cè)量環(huán)節(jié)多等缺點(diǎn)，而在線監(jiān)測(cè)技術(shù)很好地彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)，能夠在線持續(xù)地測(cè)量變壓器油中的氣體情況、長(zhǎng)期儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果、提供變壓器某一時(shí)間段

13、的油中氣體的趨勢(shì)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性故障,避免發(fā)生電力系統(tǒng)重大事故有重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備大體分為2類：一種是監(jiān)測(cè)某種單獨(dú)氣體或以某種氣體為主的幾種氣體綜合濃度的單組分油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備；一種是測(cè)量油中多種氣體的多組分油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。1.2.1 色譜簡(jiǎn)介色譜是一種分離技術(shù)，當(dāng)這種分離技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域中，就是色譜分析。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，叫做固定相；另一相則是推動(dòng)混合物流過固定相的流體，叫做流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含有的混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大

14、小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力的作用下不同組分在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng)有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。色譜法有許多化學(xué)分析法無(wú)可與之比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1） 選擇性好，分離效能高。（2） 速度快。用幾分鐘或幾十分鐘就可完成一項(xiàng)含有幾個(gè)或幾十個(gè)組分的樣品分析；（3） 樣品用量少。對(duì)氣體樣品一般只須 13ml 甚至更少，即可完成一個(gè)全分析；（4） 靈敏度高。通常樣品中有十萬(wàn)分之幾或百萬(wàn)分之幾的雜質(zhì)也能很容易地鑒別出來；（5） 適用范圍廣。作為色譜流動(dòng)相的有氣體或液體。當(dāng)用液體為流動(dòng)相時(shí)，稱為液相色譜：當(dāng)用氣體為流

15、動(dòng)相時(shí)，稱為氣相色譜。對(duì)色譜固定相而言，也有兩種狀態(tài)：即固體吸附劑和在固體擔(dān)體上載有液體的固定相。綜合兩相的狀態(tài)，可把色譜進(jìn)一步分為四類：氣固色譜、氣液色譜、液液色譜、液固色譜。1.2.2 氣相色譜法氣相色譜法是目前多組分在線監(jiān)測(cè)設(shè)備中最常用的氣體檢測(cè)方法，也是目前發(fā)展最為成熟的方法。它與實(shí)驗(yàn)室油色譜原理相同，通過色譜柱中的固定相對(duì)不同氣體組分的親和力不同，在載氣推動(dòng)下，經(jīng)過充分的交換，不同組分得到了分離；分離后的氣體通過檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖，根據(jù)組分峰高或面積進(jìn)行濃度定量。目前常用的經(jīng)分離的混合氣體進(jìn)行氣體含量檢測(cè)的傳感器主要有熱導(dǎo)式傳感器（TCD）、氫焰

16、離子化傳感器（FID）和半導(dǎo)體傳感器等。在這幾種傳感器中，F(xiàn)ID傳感器由于需要?dú)錃庾鳛檩d氣，在線設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)條件很難滿足，故很少采用。因此，目前在線監(jiān)測(cè)設(shè)備較常采用的是TCD和半導(dǎo)體傳感器。在TCD傳感器和半導(dǎo)體傳感器中，TCD傳感器測(cè)量精度較半導(dǎo)體傳感器低，但測(cè)量的線性度卻比半導(dǎo)體傳感器好，檢測(cè)速度也較半導(dǎo)體傳感器快。2 兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)診斷方法2.1 光聲光譜在線監(jiān)測(cè)診斷方法2.1.1基于光聲光譜法的變壓器在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)光聲光譜法的檢測(cè)原理，基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由油氣分離模塊，光聲模塊，信號(hào)處理模塊，油路及氣路系統(tǒng)，PLC 控制模塊，計(jì)算機(jī)通信及故障診斷模塊等

17、構(gòu)成。文獻(xiàn)3給出了4種設(shè)計(jì)方案。這四套系統(tǒng)具有共同的運(yùn)作流程，即首先從變壓器中提取少量油樣，流入到油氣分離室內(nèi)，然后經(jīng)過油氣分離室的油氣分離處理后將分離出來的氣體導(dǎo)入到光聲腔內(nèi)，同時(shí)在氣體循環(huán)泵的循環(huán)抽動(dòng)下，使得故障氣體在光聲腔與油氣分離室間循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)用微音器監(jiān)測(cè)故障氣體里的各種氣體成分的含量，微音器檢測(cè)到的信號(hào)首先經(jīng)過差分放大處理后然后再輸入到鎖相放大器里進(jìn)行鎖相放大，從噪聲中提取出微弱的有用信號(hào)，然后將信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中去，進(jìn)一步對(duì)故障的類型進(jìn)行診斷。四套系統(tǒng)的區(qū)分就在光聲模塊的不同。圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖方案一在線式應(yīng)用如圖3（a）所示，其光聲模塊（圖中虛線框）的主要特征在于

18、，一個(gè)波長(zhǎng)覆蓋 1-20m 的帶球面反射鏡的紅外光源，6 個(gè)濾光片的特征波長(zhǎng)分別為對(duì)應(yīng)變壓器油中溶解的 6 中故障氣體的特征吸收波長(zhǎng)，即 7.97m，11.61m，9.42m，12.77m，4.65m，14.97m。將他們分別嵌套在一個(gè)濾光盤上，這個(gè)光盤的中軸將與一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)相連接，并且可以在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，而機(jī)械斬波器在另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下工作。光聲腔則采用差分式的，各個(gè)部件的連接方式如圖1.1所示?；竟ぷ髟頌椋杭t外光源發(fā)出的紅外光，首先經(jīng)過濾光片濾光，選出與某種故障氣體成分相對(duì)應(yīng)的紅外光，然后在機(jī)械斬光器的調(diào)制作用下將連續(xù)的紅外光變?yōu)閿嗬m(xù)的紅外光，經(jīng)過透鏡將紅外光會(huì)聚成更小的光斑，然后射入到光聲腔的諧振管內(nèi)，整個(gè)裝置涉及到的機(jī)械結(jié)構(gòu)偏多，控制較復(fù)雜，引入的干擾也更多，體積也偏大，但是由于其成本低廉，技術(shù)相對(duì)成熟，從而成為目前現(xiàn)有光聲光譜技術(shù)應(yīng)用的首選。方案二如圖3（b）所示，調(diào)制采用電源直接調(diào)制，即設(shè)計(jì)一個(gè)頻率脈沖發(fā)生器，然后在該頻率脈沖電源的作用下使得光